广西壮族自治区产品质量检验研究院
摘要：根据异步电动机的多变量数学模型，以异步电动机节能运行为目的，研究分析了功率因数与异步电动机自身参数以及转差角频率之间的关系，得到相应的函数表达式，并以此作为建立功率因数控制系统的根据。在该理论的的基础上，对功率因数实施检测，建立功率因数的实时测量系统。采用C8051系列单片机，根据系统模型，利用proteus工具进行仿真研究。仿真结果表明，通过功率因数在线测量装置，可以实时地检测异步电动机在各种负载情况下的能效状况。使用Matlab实验室中的Simulink工具对异步电机进行仿真，模拟各个状态下的异步电机工作状态，并用设计的功率因数在线测量装置检测器功率因数。
关键词：三相异步电动机；功率因数
1.1本课题国内外研究动态及意义：
1.1.1国内能源领域动态
我国于2012年5月发布了强制性国家标准GB18613-2012《中小型三相异步电机能效限定值及能效等级》，对一般用途中小型三相异步电机的不同能效等级下产品的效率值做出了规定。按照国家新标准，我国现在生产的电机产品绝大多数都不是高效的（高效电机是指达到或优于GB18613-2012标准中节能评价值的电机）。根据调研，2014年国内点击生产仍以3级或3级能效以下的点击为主，按电机的功率来看，能效等级为1级的产品所占比例仅为0.33%，在国内市场尚没有销售，均面向出口市场。能效等级为2级的产品占比9.09%，其中出口占比62.35%，也就是说面向国内市场的产品仅有37.65%。而3级和3级以下的产品占据了国内市场销售的90.58%。为加快推动工业节能降耗，促进工业发展方式转变和“十三五”节能约束性目标的实现，必须大力提升电机能效。
异步电机的功率因数有两种，即自然功率因数和总功率因数。自然功率因数就是设备本身固有的功率因数，其值决定于本身的用电参数（如：结构，用电性质）。倘若自然功率因数偏低，不能满足标准和节能需求，就需要设置人工补偿装置来提高功率因数，补偿后整个系统的功率因数叫总功率因数，设置补偿装置不仅会增加大量投资，也无法改善设备本身的自然功率因数低造成的效率低下。因此只有通过提高电机的负载率提高电机的自然功率因数才是最根本途径。而电动机功率因数补偿方法只是一种治表的方法。
如某企业高压集中补偿,低压集中补偿功率因数均达到0.95以上,电动机也都有功率因数补偿,总功率因数也在0.9以上,应该说是不错了,但电动机自然功率因数大多数仍在0.6～0.7之间,这说明电动机大多数处于轻载运行,负载率仍较低,电机并没有处于经济运行状态。在这个意义上讲,电机功率因数补偿掩盖了电动机低效运行这一实际。
所以提高电动机的功率因数的根本途径仍是提高电动机的负载率。也就是说合理选用电动机容量，可以提高自然功率因数和效率，达到节约电能之目的。
2.1测量原理
在交流电路中，电压与电流之间的相位差（∮）角的余弦称为功率因数，用COS∮表示，在数值上等于有功功率和视在功率之比，或电阻与阻抗之比。实际工作中功率因数的计算
可以根据计数值t确定负载特性。当计数值t小于l0ms，电压信号超前电流信号，负载呈感性；当计数值t大于10ms，电压信号滞后电流信号，负载呈容性。
2.2系统硬件电路
2.2.1原理图
本测量方法的测量原理如图1示。该系统主要由51单片机（运算处理模块）、采样输入模块、信号调理模块、显示输出模块组成。
由于异步电机三相平衡，故只测量一项即可反映系统总体功率因数状况。输入模块采用一个电压传感器和一个电流互感器，将异步电机的其中一相电压电流进行采样。预计采集对象为380V正弦交流电压和5A以下的正弦交流电流，频率为工业标准50Hz。需要将其转换成5V的同频率同相位电压信号。
2.2.2信号调理模块
信号调理模块采用两个过零电压比较器和两个D触发器实现，由输入模块将采集的模拟信号输入，采集到的信号周期不变，方波信号的正负值分别代表正弦信号的正半周和负半周，方波信号的上升沿和下降沿分别代表正弦信号的正负过零点。经由D触发器组成的0b~360b相位检测电路后，得到一组互补的相位信号，如图4所示，且输出的脉冲信号不受输入信号幅度的影响。输出信号Q的宽度S反映了两信号UAC和IB之间的相位差，即φ的大小;S+Sc大小对应于2π，故有φ=t0/(t0+t1)。因此，只要测得t0，t1就可以计算出φ的值。
2.2.3运算处理模块
运算处理模块采用80c51芯片，负责处理接收到的相位，计算出相位差和功率因数并将需要显示的结果发送给显示输出模块。信号模块将转换得到的两个方波信号分别输入5l单片机的两个外部中断口。当电压信号下降沿到来时，计时器开始计时。当电流信号下降沿到来时，计时器停止计时。此时定时器的计数值t0就对应了电压信号和电流信号的相位差。通过单片机对计数值t0的处理，就可以得出功率因数。
2.4.4显示输出模块
为了使得结果具有易读性，显示输出模块作为了解系统运行状态的端口，应有直观简便的特点。本设计显示输出模块由八段数码管构成。前四位数码管显示电压和电流的相位角，后四位直接显示功率因数的数值。并且数码管所显示数值的正负进行负载特性的指示，正代表电流超前电压（容性电路），负代表电流滞后于电压（感性电路）。由于三相异步电机的特性，结果应为感性电路，并且功率因数一般在0.88以下。
3.3测量装置分析
测量异步电机时双D触发器输出波形，示波器一测量的是两相线电压和另一相相电流的相位差。右边显示的是测量到的相位差，左边的是相位差的余弦值（功率因数）。
此时测量装置显示线电压和相电流相位差为37.7°，通过示波器估计得相位差为：。实际相位差（相电压与线电压相差90°）。估算的结果与读数37.7°相一致。
4结语
本在线测量装置采用单片机技术，简化了测量装置的结构，采用通过测量相位角的方法测量功率因数，精度高，方案简单，减少了故障环节，提高了测量装置的可靠性。
实测结果表明,利用该方法测量电机功率因数,具有硬件简单、测试方便、结果准确的特点,可以在实际生产及测量中应用。